第1章-光源分析.ppt

第1章光源,1.1辐射度学与光度学的基础知识1.2热辐射光源1.3气体放电光源1.4激光器1.5发光二极管(LED),光电技术基础,光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子光子具有动量与能量，并分别表示为p与e，式中h为普朗克常数（6.62610-34Js）；v为光的振动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3108ms-1）。光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。,一切能产生光辐射的辐射源都称为光源,天然光源人造光源,电磁波谱,按照发光机理，光源的分类：,需要了解各类光源的发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。,光纤激光器,发光二极管,1.1辐射度学与光度学的,介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量1.辐射能单位为J（焦耳）2.辐射通量又称辐射功率单位为W（瓦、焦耳每秒）3.辐射强度描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。,基础知识,单位:（瓦每球面度）,4.辐射出射度与辐射亮度,单位：（瓦每平方米）,单位：（瓦每球面度平方米）,的定义的定义,5.辐射照度,单位：（瓦每平方米）,6.光谱辐射量辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。,光谱辐射通量与波长的关系,其它辐射度量都有类似关系。,二、光度的基本物理量,1.光谱光视效率V():人眼对各种光波长的相对灵敏度,详见表1.1,2.光度量光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度量是客观物理量，光度量体现了人的视觉特性。,光能单位：lms（流明秒）光通量单位：lm（流明）发光强度单位：cd（坎德拉）发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：时，,即：1W=683lm此时，V(）=1,V(）11W683lm,时，,可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：1W=683V(）lm，定义：Km=683lm/W,有关系式：,光出射度与光亮度,单位：lm/m2,单位：cd/m2实用单位：sb(熙提)1sb=104cd/m2,光照度,单位：lx（勒克斯）1lx=1lm/m2,普适关系式：,三、光源的辐射效率与发光效率,辐射效率,发光效率,单位：lm/W,例1-3已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？(氦氖激光波长632.8nm),解He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（1-56）可以计算出它发出的光通量为v,=K,ee,=KmV()e,=6830.24310-3=0.492(lm),该激光束在,远的屏上形成的光斑面积为,该光斑是一个漫反射光源：,3一束波长为635nm、功率为3mW的单色光，其光通量为多少？倘若该光束由一个小的面光源发射出来，发光面的直径为1mm，发散角为1mrad，并且人眼只能观看1cd/cm2的亮度，试求所戴保护眼镜的透过率应为多少？（已知635nm的明视觉光谱光视效率为）,1.2热辐射光源,一、理想的热辐射光源(，T)=1绝对黑体,在热平衡条件下,绝对黑体热辐射能力最强。,由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源,辐射光谱是连续光谱,1、普朗克公式,2、维恩位移定律,3、斯蒂芬玻尔兹曼定律,随着温度T的升高，峰值波长向短波方向移动，总出射度迅速增加。,绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布,灰体：(，T)1的热辐射光源，具有与绝对黑体类似的辐射规律。,色温；相关色温,将对波长求积分，得到黑体发射的总辐射出射度,（1-42）,式中，是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定,由式（1-42），Me,s与T的四次方成正比,3.斯忒藩-波尔兹曼定律,普朗克公式,将代入普朗克公式，得到黑体的峰值光谱辐出度,Wcm-2m-1K-5,以上三个定律统称为黑体辐射定律。,例1-1若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少m？峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,m又为多少？解（1）人体正常体的绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为,（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为,(m)=9.36m,峰值光谱辐射出射度为,Wcm-2m-1,=3.72Wcm-2m-1,（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为,发烧时的峰值光谱辐射出射度为,=3.81Wcm-2m-1,例1-2将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解标准钨丝灯的温度为TW=2856K，因此它的峰值辐射波长为,(m),峰值光谱辐射出射度为,=1.3092856510-15,=248.7Wcm-2m-1,总辐射出射度为,1.太阳与黑体辐射器,二、实际的热辐射光源,太阳的光谱分布,非常接近于绝对黑体,黑体辐射器：科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。常用作标准光源，最高工作温度是3000K。,2.白炽灯与卤钨灯灰体钨丝做灯丝,玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.43m。可见光占612%，用于照明；加红外滤光片可作为近红外光源。,石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物（如溴化硼）;形成卤钨循环。色温3200K以上,辐射光谱为0.253.5m。发光效率可达30lm/W(为白炽灯的23倍)，作仪器白光源.,卤钨灯,白炽灯,1.3气体放电光源,发光机理：气体放电。,泡壳：用玻璃或石英等材料制造；电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、金属化合物蒸气、惰性气体,基本结构,气体放电光源的特点：,发光效率高,节能。,电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。,寿命长，比白炽灯长210倍。,辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。,一、汞灯泡壳内充汞蒸气,1.低压汞灯作253.7nm紫外光源；作荧光灯（日光灯）。,2.高压汞灯可见辐射加强，呈带状光谱，可作高效照明光源。,3.球形超高压汞灯很好的蓝绿光点光源。,二、钠灯泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。,低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm两条谱线的单色光源。,高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。,三、金属卤化物灯泡壳内充的是金属卤化物气体。,通过金属卤化物循环，提供足够的金属原子气体。,铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。,镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。,钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：近白色光源,色温5500K。,四、氙灯泡壳内充的是是惰性气体氙。,色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。,长弧氙灯:,短弧氙灯:,脉冲氙灯:,日光色点光源,大范围照明光源,脉冲时间极短（nSpS)，光很强,用于光泵、光信号源、照相制版、高速摄影,五、氘灯泡壳内充有高纯度的氘气,灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（185400nm）。,1.4激光器,1.4.1激光器概述,20世纪激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。,激光器的基本结构,激光形成机理,电泵浦或光泵浦；造成工作物质中粒子数反转分布，自发辐射引发受激辐射；谐振腔对辐射光波选频放大。,激光的优越性,高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性,已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。,激光将对21世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！,时间相干性是指同一点光源,在不同时间发射光束的相干状态,而空间相干性,是指不同空间位置的光源之间的相干状态.,1.气体激光器,工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电实现粒子数反转。工作物质（气体）均匀性好，输出光束的质量相当高。,2.固体激光器,工作物质是掺杂的晶体或光学玻璃，光泵浦。有脉冲输出激光器和连续输出激光器。,主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。,3.染料激光器,工作物质是有机染料溶液，光泵浦。输出激光波长可以在很宽范围内调谐，有极好的光束质量。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MW。,4.半导体激光器（LD）,工作物质是半导体材料形成的P-N结。,与结平面垂直的晶体解理面构成F-P谐振腔。,对P-N结正向注入电流或光泵浦，可激发激光。,体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（0.3344m）；能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。,主要优点,5.光纤激光器,工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐振腔有多种形式。是近年来发展起来的新型激光器，具有一系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。,1.4.2固体激光器介绍几种代表性的固体激光器,YAG激光器基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。,输出波长1064nm，加倍频技术可输出532nm。已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。,输出波长2.94m,用于激光医疗。,输出波长2.1m,用于激光医疗,空间光通信。,可调谐的固体激光器,输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm，峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。,可调谐范围700-800nm。采用调Q技术，输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。,激光二极管（LD）泵浦的固体激光器,LD泵浦:实现高效率的能量转换,有端面泵浦和侧面泵浦。,获得百瓦级高功率激光输出。,下图是纵向、双端面泵浦,一个横向、侧面泵浦的激光器,市场上高功率的LD泵浦固体激光器都是用侧面泵浦方式，输出功率可达6000W以上。,非线性频率转换得到短波长固体激光器,固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料进行波长转换,可得到短波长固体激光器。,LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。,研究趋势,用LD泵浦晶体得到1064nm激光，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到532nm绿激光。,还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。,1.4.3半导体激光器,一、半导体材料的能带,晶体中电子的共有化运动,晶体中的能带,关于价带导带禁带导电载流子：电子、空穴,I型、N型、P型半导体,关于施主能级受主能级,费米统计分布,式中，Ef为费米能级，是电子占据率大于或小于0.5的能级分界线。,二、PN结的能带,PN结空间电荷区与自建电场的形成,PN结的能带弯曲,重掺杂P型、N型半导体的能带,热平衡时PN结的能带弯曲,加上正向电压后，PN结势垒降低,PN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由N区指向P区，P区、N区的电子能级差为：,PN结加上正向电压时，热平衡被破坏，PN结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。,电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。,PN结就是光辐射的有源区。,三、实用中代表性的LD的结构,阈值电流Ith注入电流IIth,才能形成激光。器件结构要着力于降低Ith。,同质结单异质结（SH）双异质结（DH）,、,条形异质结LD:,增益导引条形DHLD,掩埋条形DHLD,量子阱（QW）LD,单量子阱（SQW）,多量子阱（MQW）超晶格结构,量子阱效应：使载流子能级拉开并使有源区的异质结上出现了导带和价带上的突变。,MQW结构的优越性：,阈值电流很低改善频率啁啾调制速率高温度特性好,MQW的能带,分布反馈激光器,谐振腔是波纹光栅结构,分布反馈基于布拉格衍射原理,DFB激光器,DBR激光器,每一个栅距相当于一个微F-P腔,易形成单纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-P腔多级调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。,在高速调制时仍然保持单纵模特性。温度特性好。,波纹光栅分布反馈的优点,MQW-DFBLD性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。,四、LD的工作特性,IIth形成激光输出,光功率急剧上升，P-I曲线的线性好。斜率效率。,IIth自发辐射阶段，光功率较小。,LD是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。,1.P-I特性,2.光谱特性,IIth,IIth,单纵模,LD是矩形光波导:厚度为d，条形宽度为W。出光发散角：,约3040,约68,3.调制特性,具有直接调制的能力,调制电流,模拟调制,数字调制,LD芯片的调制频率达10GHZ量级。,五、LD的应用及新的发展,LD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，寿命长，有大功率、高集成度器件。已成为最重要的激光器之一。,光通信,光盘存储、光显示,激光印刷、信息处理、办公自动化设备,激光加工、激光医疗,各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。,LD的发展日新月异,垂直腔表面发射LD（VCSEL）,利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。,有源区是多量子阱结构，腔长只有几个微米。动态单纵模特性好，阈值电流可小于1A。,微腔LD,如应变量子阱（SL-QW）结构，调制频率已达30GHZ以上。,高速宽带LD,普通LD的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，其中只有一个或几个模式形成激光（:10-410-5）。因而带来能量损失、速度限制和噪声。微腔LD的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大压缩（1），阈值大大降低，获得超高速响应（大于100Gb/s）。甚至可实现无阈值激光器。,微腔LD及其二维面阵是一种高效、高密度光源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。,激光器的重要变革,可调谐LD,用于DWDM光交换技术,实现5-7nm范围连续调谐,实现100nm范围波长调谐,短波长LD,光存储、光显示的需要。红光、绿光、蓝光、紫光LD,用有机材料（聚合物）作LD的有源层，易得到短波长LD，是目前的研究热点。,大功率LD,作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；激光加工、激光医疗光源,产生大功率LD的途径：提高单个LD的输出功率；发展列阵LD:一维LD列阵;二维LD列阵;激光棒（脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。,高性能LD组件,适于10Gb/s以上速率的EAM/LD,波长可选择的光电集成回路（OEIC）,1.531.61m范围的多波长光源,EAM：电吸收光调制器。EAM与LD集成，实现光调制，-3dB带宽为14GHZ。,含有EAM、半导体光放大器（SOA）、合波器(MMI）、微列阵DFB激光器，波长选择范围达45nm。,40个DFB-LD波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个EAM，适用于DWDM全光网络。,1.4.4光纤激光器,一、光纤、光波导,光纤光导纤维，光传输的通路，纤芯折射率大于包层，光基于全内反射在纤芯中传输。,纤芯中掺入稀土离子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,有源光纤,光泵浦，激光器的工作物质。当光纤中光强超过上限，产生非线性光学效应。镨(读音pu、符号Pr)、.(读音er、符号Er)、铥(读音diu、符号Tm)、镱(读音yi、符号Yb)、,光波导,在光电集成回路中、各种光器件模块里，必有光信号的通路，即光波导。,光波导类似于光纤的纤芯，其折射率高于周围材料（衬底和包层）。波导截面是几微米尺度，用光刻技术制得各种光波导。,Y分叉光波导,光波导可构成光分路器、耦合器、干涉器、阵列波导光栅等大量光无源器件。,向光波导中掺杂，或造成非线性光学效应时，又可制备出多种光有源器件。,二、光纤激光器的基本结构,激光工作物质的基质是光纤，主要包括稀土掺杂光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源三部分组成。,1.增益介质光纤基质材料：硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂元素而选择；光纤长度：典型值在0.55m之间。光增益由掺杂离子决定：掺Nd3+光纤激光器，可在1060nm等3个波长获得激光。,掺Er3+光纤激光器，输出1550nm激光，光纤通信波长。掺Tm3+光纤激光器，可输出14351500nm波长激光，光纤通信波长。还可输出17002100nm波长、810nm波长激光，用于生物医学、光纤传感。掺Pr3+光纤激光器，可输出12901315nm波长激光，光纤通信波长。,2.谐振腔有多种结构：,F-P腔将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。,环形腔,光栅谐振腔,在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（FBG）而构成。,掺Er3+光纤光栅激光器,3.包层光泵浦,常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功率小。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。,内包层直径在百m左右，是泵浦光的导管，有大的数值孔径（NA），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。,内包层截面设计成多种形状：,矩形和D字形截面内包层具有95%的耦合效率,光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。,三、光纤激光器的优点,能量转换效率高，光光转换效率达80%以上。光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。光纤激光器波长范围可在3803900nm，可以多波长运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达10万小时。,四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤放大器,1掺Er3+、Tm3+、Pr3+光纤激光器是光纤通信波段12801620nm光源；2.光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光加以放大、增强。它使光通信线路上传统的光电光型中继器变革为全光型中继器，是光纤通信发展史上重要的里程碑。掺Er3+、Tm3+、Pr3+光纤放大器和拉曼光纤放大器对于光纤通信系统非常重要。,3光纤激光器和光纤放大器的增益光纤容易与传输光纤耦合。4光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。5光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信的理想光源。,五、高功率光纤激光器,光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结构紧凑小巧，对激光加工、激光医疗相当有吸引力。实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术：1.石英光纤中掺Yb3+Yb3+具有很宽的吸收带（8001064nm）与荧光带（9701200nm），可选的泵浦源很多。泵浦发射的转换效率高。可高浓度掺杂获得高增益。Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命长，小功率泵浦就可在极窄的纤芯内形成高密度的粒子数反转，从而可输出稳定的强激光。,2.双包层侧面泵浦技术,3.高可靠性泵浦光源,光纤侧面生出许多杈纤，每分杈耦合一个宽面多模大功率LD（100W）。,高功率掺镱光纤激光器输出可达数万瓦,比大功率的气体、固体激光器优势显著。,1.5发光二极管（LED）,LED是一种极有竞争力的新型节能光源，它的优点有：效率高光色纯能耗小寿命长可靠耐用应用灵活绿色环保,结构是半导体PN结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。,1962年第一只红色LED问世，接着是黄色、绿色、橙色LED，早期的LED亮度不高。,1993年日本利亚公司的中村秀二研制成功兰光LED，是LED发展史上重要的里程碑。之后，人们发展了超高亮度的红、绿、蓝LED。,高发光效率的白光LED，节能环保的照明工程。,LED的发展历程,1.5.1普通亮度LED,一、材料与构型,GaP、GaAsP、GaN,峰值波长是可见光，用于光显示。,GaAs，峰值波长867nm，用于光电检测。,InGaAsP，峰值波长1.3m、1.55m,用于短距离光纤通信。,LED采用双异质结、量子阱结构分为：面发光型发光功率较大边发光型易与光纤耦合,面发光型LED的光输出,面发光型LED用于光显示边发光型LED用于短距离光纤通信,二、主要工作特性,谱线宽度在几十上百m。,为发光光谱的峰值波长。,P-I特性,I:10数十mAP:几百WmWP-I特性曲线的线性区很宽。,光谱特性,调制特性可以直接调制,边发光型在几百MHZ面发光型在几十MHZ,调制带宽:,LED体积小，寿命长（可超过10万小时），耗电少，能与集成电路共电源，使用方便，应用广泛。,1.5.2超高亮度LED,法向强度在1000mcd以上的红、绿、蓝LED,光效达50100lm/W。,一、实现超高亮度的关键技术,2有源区采用量子阱结构。3分布布拉格反射（DBR）结构，克服衬底吸收。4出光窗口的纹理结构，增加光输出。,1发展新的四元合金材料AlGaInP、AlGaInN是直接带隙，带隙宽度覆盖了整个可见光波段，发光效率高。,二、超高亮度彩色LED的应用,1.LED全彩显示屏用于城市广场、体育场馆、调